(57)【要約】【課題】  非接触式案内装置を簡素な構成で実現する。【解決手段】  案内装置は、摺動面を有する可動体と、摺動面と対向する案内面を有する案内体と、摺動面と案内面の間隙を充填する充填液体を備える。摺動面と案内面の充填液体に対する親和性を選択することにより、充填液体は表面張力によって摺動面と案内面の間隙に浸透して間隙を充填する。それにより、摺動面と案内面は非接触の状態が維持される。充填液体の内部圧力は、摺動面と案内面の距離の変化に抗するように変化するため、可動体は案内面に対して垂直方向に拘束される。可動体は案内面に垂直方向には拘束され、案内面に平行な方向にはきわめて低い摩擦で運動することができる。このとき、充填液体を介して拘束されているため、静止摩擦が発生せず位置決め分解能も高い。【選択図】  図１
2005061585.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
摺動面を有する可動体と、摺動面に対向する案内面を有する案内体と、摺動面と案内面の間隙を充填している液体を有し、
摺動面に対する該液体の接触角と案内面に対する該液体の接触角の和が１８０度未満であり、
案内面に対する該液体の接触角が９０度以上であり、
可動体の摺動面に隣接する隣接面に対する該液体の接触角は、摺動面と隣接面の境界から伸びる液面と隣接面の延長面がなす角の最大角以上であり、
摺動面と案内面の間隙を充填している液体が、摺動面を案内面に近接させようとする外力に抗して、摺動面が案内面に近接するのを抑制する力を発揮することを特徴とする案内装置。
【請求項２】
摺動面を有する可動体と、摺動面に対向する案内面を有する案内体と、摺動面と案内面の間隙を充填している液体を有し、
摺動面に対する該液体の接触角と案内面に対する該液体の接触角の和が１８０度未満であり、
案内面に対する該液体の接触角が９０度未満であり、
摺動面と案内面の間隙を充填している液体が、摺動面を案内面から離反させようとする外力に抗して、摺動面が案内面から離反するのを抑制する力を発揮することを特徴とする案内装置。
【請求項３】
可動体の摺動面に隣接する隣接面に対する前記液体の接触角が９０度以上であり、摺動面と案内面の間隙を充填している液体が隣接面に染み出すのを防止して、液体が摺動面と案内面の間隙に封じ込められていることを特徴とする請求項１又は２の案内装置。
【請求項４】
可動体には１対の摺動面が形成されており、案内体には１対の摺動面に対向する１対の案内面が形成されており、１対の摺動面と１対の案内面間に形成される１対の間隙に液体が充填しており、可動体を案内面に沿って摺動可能に支持することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の案内装置。
【請求項５】
可動体には円周上に位置する複数の摺動面が形成されており、案内体には前記円周よりも大きな半径の同心の円周に沿って伸びる共通案内面が形成されており、それぞれの摺動面と共通案内面の間隙に液体が充填しており、可動体を回転可能に支持することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の案内装置。
【請求項６】
摺動面が隣接面を囲繞しており、摺動面と案内面の間隙を充填する液体によって、隣接面と案内面の間隙を外気から遮断していることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の案内装置。
【請求項７】
隣接面と案内面の間隙に大気圧以上の気体が封止されていることを特徴とする請求項６に記載の案内装置。
【請求項８】
案内面に対向する可動体の１面に、多重リングを構成する摺動面が形成されており、リング間に形成される隣接面と案内面の間隙が外気から遮断されていることを特徴とする請求項７に記載の案内装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可動体を案内体に沿って案内する技術に関し、特に可動体と案内体の間に液体を介在させることによって可動体と案内体が直接に接触することを禁止した状態で可動体を案内する技術に関する。本発明の案内体の案内面がフラットであれば、可動体がフラットな面内でスライド可能に案内され、可動体が円柱状であり、案内面がそれを取囲む円筒内面であれば、円柱状可動体（回転軸）が回転可能に軸支される。
【背景技術】
【０００２】
機械装置は、回転軸を回転可能に軸支する軸受や、可動体を直線に沿って移動可能に案内するリニアスライダーや、可動体を平面内の任意方向に移動可能に案内する面的スライダーや、回転軸の端面を平面内で回転可能に案内するスラスト軸受等の各種案内装置を必要とする。
これらの案内装置では、可動体と案内体間の摩擦が低いことが要求され、可動体と案内体が直接に接触することを禁止した状態で可動体を案内する技術が待望されている。
【０００３】
可動体と案内体が直接に接触することを禁止した状態で可動体を案内するために、静圧案内技術が開発されている。静圧案内技術では、可動体と案内体の間隙に加圧液体を送込み、その圧力によって可動体と案内体が接触しない状態を得るものである。非接触であることから部材が磨耗せず、摺動抵抗が極めて小さく、かつ可動体の位置決め分解能を小さくすることができる。また液体の圧力を高めることで、可動体と案内体の間隙が変化することに対する抑制力を高めることができ、間隙を一定値に維持する拘束力を高くすることができる（剛性を高くすることができる）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
可動体と案内体の間隙に加圧液体を送込むことによって可動体と案内体を非接触の状態に維持する静圧案内技術では、加圧液体を常に圧送する必要があるためにコンプレッサ等の加圧手段と配管等を必要とし、装置全体として大掛かりとなる。設備コストとエネルギーコスト等の問題が残されている。また、コンプレッサ等の加圧手段を利用することから可動体と案内体の間隙に送込まれる液体の圧力が脈動することが避けられず、その脈動が可動体の挙動に影響を与える。
本発明では、液体が持つ表面張力によって可動体と案内体の間隙に液体を封じ込め、封じ込められた液体を利用して、可動体と案内体の間隙が変化することに対する抑制力を得る。本発明によると、非接触式案内装置の構成を簡素化することができる。また液体圧力の脈流による影響を受けることがない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の案内装置は、摺動面を有する可動体と、摺動面に対向する案内面を有する案内体を備えており、摺動面と案内面の間隙を液体が充填している。
本発明の一つの案内装置は、摺動面に対する充填液体の接触角と案内面に対する充填液体の接触角の和が１８０度未満であり、案内面に対する充填液体の接触角が９０度以上であり、可動体の摺動面に隣接する隣接面に対する充填液体の接触角が、摺動面と隣接面の境界から伸びる液面と隣接面の延長面がなす角の最大角以上であることを特徴とする。
この案内装置は、摺動面と案内面の間隙を充填している液体が、摺動面を案内面に近接させようとする外力に抗して、摺動面が案内面に近接するのを抑制する力を発揮する。
【０００６】
液体は表面張力を有する。表面張力が作用している液体の内部圧力は、表面張力によって、雰囲気圧力と相違する。その圧力差が、摺動面と案内面の間隙が変化しようとするのを抑制する力を生み出す。本発明の案内装置は、この原理を利用する。
図１に本発明に係る案内装置の一例を例示する。図１に示す案内装置１０は、可動体１２と案内体１５と充填液体１８によって構成されている。可動体１２は円柱形状をしており、上面１１、下面１３、側面１４を備えている。案内体１５の上面１６は、水平に広がっている。可動体１２の下面１３と案内体１５の上面１６は向き合っており、その間隙に液体１８が充填されている。後記するように、間隙に充填された液体１８は間隙に封じこめられ、間隙に封じこめられた液体１８によって間隙が維持され、可動体１２と案内体１５は非接触な状態に維持される。可動体１２の下面１３は摺動面となり、案内体１５の上面１６は案内面となり、摺動面１３が案内面１６に向き合った状態で、可動体１２は案内面１６に沿って移動可能に支持される。
次に、可動体１２の摺動面１３と案内体１５の案内面１６の間隙に液体１８が封じこめられ、間隙に封じこめられた液体によって、摺動面１３と案内面１６が非接触状態に維持される様子を説明する。
充填液体１８の表面張力の大きさをＴとする。案内装置１０が置かれている雰囲圧力をＰ０とする。可動体１２の摺動面１３に対する液体１８の接触角をαとする。案内体１５の案内面１６に対する液体１８の接触角をβとする。
本案内装置では、接触角αと接触角βは、α＋β＜１８０度に関係が成立するものが選択されている。図２は、摺動面１３と案内面１６の間隙の一部にのみ液体１８が浸入している状態を示している。液体１８は、自己の表面張力によって摺動面１３から左向きにＴｃｏｓαの力を受ける。同様に、液体１８は、案内面１６から右向きにＴｃｏｓ（π−β）＝−Ｔｃｏｓβの力を受ける。β＞πであるためにｃｏｓβは負であり、−Ｔｃｏｓβは正となる。左向きの力を正とすると、液体１８は、左向きに、Ｔ（ｃｏｓα＋ｃｏｓβ）の力を受ける。α＋β＜１８０度であり、しかも接触角αとβのそれぞれは、０度以上１８０度未満であるので（０度＜α＜１８０度であり、０度＜β＜１８０度である）、液体１８が受ける左向きの力Ｔ（ｃｏｓα＋ｃｏｓβ）は正となる。即ち、液体１８は図面左方ヘの力を受ける。従って、液体１８は摺動面１３と案内面１６の間隙に自己の表面張力によって浸透し、図１に示すように摺動面１３と案内面１６の間隙を充填する。
本明細書において、接触角とは固体表面に対する液体の親和性を示すものである。実際に液体が固体表面に接触しているときの角度については、接触角とは区別して、「接触している角度」や「接触する角度」等と記述する。固体表面が角張っており、その頂点から液面が伸びているような場合には、「接触している角度」や「接触する角度」が「接触角」から相違することがある。
【０００７】
図３に示すように、充填液体１８は、案内面１６と位置１６ａにおいて接触角βで接触している。案内面１６に対する充填液体１８の接触角βは、９０度よりも大きい。また、充填液体１８は、摺動面１３と位置１３ａにおいて角度θ１で接触している。摺動面１３の位置１３ａは、摺動面１３に隣接する隣接面１４との境界となる外延部であるため、充填液体１８が摺動面１３に接触している角度θ１は、摺動面１３に対する接触角αに限られない。角度θ１は、摺動面１３に対する接触角αよりも大きくなりうる。
充填液体１８が位置１３ａで摺動面１３に角度θ１で接触している場合、充填液体１８が位置１３ａで隣接面１４に角度ψ１で接触しているということができる。摺動面１３と隣接面１４がなす角度をψ２とすると、ψ１＝θ１＋ψ２−πの関係が成立する。角度ψ１は、摺動面１３と隣接面１４の境界１３ａから伸びる液面と隣接面１４の延長面１４ａがなす角ということができる。
液面と隣接面１４がなす角ψ１が、隣接面１４に対する液体の接触角γよりも小さければ、液体は表面張力によって境界１３ａから外方に膨れ、隣接面１４に沿って這い上がることがない。即ち、液体１８は摺動面１３と案内面１６の間隙に封じこめられ、間隙から抜け出すことがない。液面と隣接面１４がなす角ψ１が、隣接面１４に対する液体の接触角γよりも大きいと、液体１８が隣接面１４に沿って這い上がって液体１８が摺動面１３と案内面１６の間隙から抜け出してしまう。液面と隣接面１４がなす角ψ１が、隣接面１４に対する液体の接触角γよりも大きいと、摺動面１３と案内面１６を非接触状態に維持することができなくなってしまう。液面と隣接面１４がなす角ψ１が、隣接面１４に対する液体の接触角γよりも小さいと、液体１８が隣接面１４に沿って這い上がることがなく、液体１８を摺動面１３と案内面１６の間隙に維持することができる。
境界１３ａから伸びる液面と摺動面１３がなす角θ１や、その液面と隣接面１４がなす角ψ１は、摺動面１３が案内面１６に近接するほど大きくなる。液面と隣接面１４がなす角ψ１が最大角となっても、隣接面１４に対する液体の接触角γよりも小さければ、液体１８は表面張力によって摺動面１３と案内面１６の間隙に封じこめられ、摺動面１３と案内面１６を非接触状態に維持することができる。
図４に示すように、摺動面１３と隣接面１４は同一平面にあってもよい。すなわち、摺動面１３と隣接面１４のなす角度が１８０度（又はゼロ度）であってもよい。可動体１２の摺動面１３の材質と隣接面１４の材質を変えることによって同一平面内に摺動面１３と隣接面１４を作り分けることが可能となる。この場合には、摺動面１３と隣接面１４の境界１３ａから伸びる液面と摺動面１３がなす角θ１と、その液面と隣接面１４の延長面（すなわち摺動面）がなす角ψ１が等しくなる。境界１３ａから伸びる液面と隣接面１４の延長面がなす角ψ１が最大角となっても、隣接面１４に対する液体の接触角γよりも小さければ、液体１８は摺動面１３と案内面１６の間隙に封じこめられ、隣接面１４が濡れることがない。液体１８は表面張力によって摺動面１３と案内面１６の間隙に封じこめられ、摺動面１３と案内面１６を非接触状態に維持することができる。
隣接面１４の延長面と液面がなす角ψ１の最大角は各種の態様で設計することができる。可動体１２に作用する外力が限定されていれば、最大外力が作用したときの隣接面１４の延長面と液面がなす角ψ１よりも大きな接触角γを持つ液体を採用すればよい。物理的なストッパによって、摺動面１３と案内面１６の間隔を一定値以上に保持してもよい。一定値以上に保持すれば、隣接面１４の延長面と液面がなす角ψ１は一定角度以上には増大しない。物理的なストッパが作用するまで接近すれば非接触でなくなるが、それ以前の状態では、非接触状態を維持することができる。後記するように、可動体の上下両面に摺動面を設け、一方の摺動面には液圧によって案内面に接近することを抑制する案内装置を設け、他方の摺動面には液圧によって案内面から離反することを抑制する案内装置を設けると、間隙の変化を抑制する力を増大することができ、可動体１２に作用する外力によって生じる隣接面１４の延長面と液面がなす角ψ１の最大角を、隣接面１４に対する液体の接触角γよりも小さく維持することができる。
何らかの手法で、隣接面１４の延長面と液面がなす角ψ１の最大角を、隣接面１４に対する液体の接触角γよりも小さく維持しておけば、液体１８の表面張力によって液体１８を摺動面１３と案内面１６の間隙に封じこめておくことができる。
【０００８】
摺動面に対する液体の接触角と案内面に対する液体の接触角の和が１８０度未満であれば、液体は表面張力によって摺動面と案内面の間隙に浸透し、摺動面と案内面の間隙を充填する。可動体の摺動面に隣接する隣接面に対する液体の接触角が、摺動面と隣接面の境界から伸びる液面と隣接面の延長面がなす角の最大角以上であれば、液体は表面張力によって摺動面と案内面の間隙に封じこめられ、摺動面と案内面を非接触状態に維持することができる。
【０００９】
図５は、摺動面１３と隣接面１４の境界１３ａから伸びる液面が摺動面１３と角度θ１で接触し、案内面１６と接触角βで接触している状態で作用している力を示している。可動体１２は重量がＷであり、摺動面１３の面積がＡである。また、図５の状態において、摺動面１３と案内面１６の間隙の距離はｄ１であるとする。
摺動面１３の境界位置１３ａにおいて、充填液体１８の表面張力Ｔの水平方向成分は、充填液体１８に対して内向きにＴｃｏｓ（π−θ１）となる。また、案内面１６上の位置１６ａにおいて、充填液体１８の表面張力Ｔの水平方向成分は、充填液体１８に対して内向きにＴｃｏｓ（π−β）となる。案内装置１０が置かれている雰囲気圧力がＰ０であり、充填液体１８の内部圧力がＰ１であるとすると、水平方向のつり合いの式から、
Ｐ１・ｄ１＝Ｐ０・ｄ１＋Ｔｃｏｓ（π−θ１）＋Ｔｃｏｓ（π−β）
となる。
充填液体１８の内部圧力Ｐ１と、雰囲気圧力Ｐ０の差圧ΔＰ１は、
ΔＰ１＝Ｐ１−Ｐ０＝−Ｔ・（ｃｏｓθ１＋ｃｏｓβ）／ｄ１
となる。
案内面１６に対する液体１８の接触角βは９０度以上であり、間隙に封じ込められた液体１８が外方に膨らんで境界１３ａから伸びる液面が外側に膨らんでいれば、θ１は９０度以上となる。９０度＜θ１＜１８０度であり、９０度＜β＜１８０度であれば、ｃｏｓβとｃｏｓθ１のそれぞれは負となり、差圧ΔＰ１は正となる。
すなわち、充填液体１８の内部圧力Ｐ１は、雰囲気圧力Ｐ０に対して正圧であり、摺動面１３が案内面１６に近接することを抑制する。
充填液体１８が可動体１２を上方に押し上げる力はＦ＝ΔＰ１・Ａである。充填液体１８が作用する力Ｆが可動体１２の重力Ｗに等しければ、すなわち、
Ｗ＝ΔＰ１・Ａ＝−Ａ・Ｔ・（ｃｏｓθ１＋ｃｏｓβ）／ｄ１
が成立すれば、表面張力によって摺動面１３と案内面１６に封じ込められた液体１８が、可動体１２の重力Ｗに抗して、摺動面１３と案内面１６を非接触な状態に維持する。
充填液体１８の体積が一定のとき、摺動面１３と案内面１６の間隙の距離ｄ１が小さくなると、角度θ１は大きくなる。このとき、充填液体１８が摺動面１２に作用する力Ｆは大きくなる。また、同様に充填液体１８の体積が一定のとき、摺動面１３と案内面１６の間隙の距離ｄ１が大きくなると、角度θ１は小さくなる。このとき、充填液体１８が摺動面１２に作用する力Ｆは小さくなる。可動体１２の重量Ｗに応じて、接触している角度θ１と摺動面１３と案内面１６の間隙の距離ｄ１は決まることとなる。
【００１０】
上述のように本発明の案内装置では、案内面に対する液体の接触角が９０度以上であるものを利用することから、充填液体の内部圧力は、雰囲気の圧力よりも高くなっている。その差圧が、摺動面を案内面に近接させようとする外力に抗して、摺動面が案内面に近接するのを抑制する力を生み出す。
摺動面１３と案内面１６の間隙の距離ｄ１が小さくなると、充填液体による反発力が大きくなる。例えば、可動体の重量Ｗと、距離ｄ１の間隙を充填する液体による反発力がつりあっていれば、重量Ｗの可動体は距離ｄ１を隔てて案内体から浮上している。この状態で可動体に案内体に近接させようとする力が作用すると、距離ｄ１が減少し、液体による反発力が増大し、それがつりあった距離で平衡する。可動体は案内体から非接触状態で浮上を続ける。
図５において、可動体１２に鉛直下向きの外力が作用し、摺動面１３と案内面１６の間隙が狭くなると、充填液体は外方に膨らみ、境界１３ａから伸びる液面が摺動面１３となす角は増大する。
可動体１２に外力が作用しない場合、可動体１２の重量Ｗが、充填液体の雰囲気圧力からの差圧に等しくなる間隙距離で平衡する。外力が左右しない場合の、間隙距離がｄ１であり、境界１３ａから伸びる液面が摺動面１３となす角がθ１であるとする。すなわち、Ｗ＝−Ａ・Ｔ・（ｃｏｓβ＋ｃｏｓθ１）／ｄ１が成立しているものとする。
この状態で、可動体１２に鉛直下方の外力Ｆ１が作用したために、間隔ｄ１がｄ２に狭まり、液面が摺動面１３となす角θ１がθ２に増大したものとする。この場合、充填液体の雰囲気圧力からの差圧は、−Ｔ・（ｃｏｓβ＋ｃｏｓθ１）／ｄ１から−Ｔ・（ｃｏｓβ＋ｃｏｓθ２）／ｄ２に変化する。後者は前者よりも大きい。大きくなった内部圧力が鉛直下向きの外力にバランスする距離で安定する。すなわち、Ｗ＋Ｆ１＝−Ａ・Ｔ・（ｃｏｓβ＋ｃｏｓθ２）／ｄ２が成立する間隙距離ｄ２で安定する。
逆に、可動体１２に鉛直上向きの外力Ｆ２が作用したために、摺動面１３と案内面１６の間隙ｄ１がｄ３に広がり、充填液体は円柱形に近づき、境界１３ａから伸びる液面が摺動面１３となす角θ１がθ３に減少したものとする。この場合、充填液体の雰囲気圧力からの差圧は、−Ｔ・（ｃｏｓβ＋ｃｏｓθ１）／ｄ１から−Ｔ・（ｃｏｓβ＋ｃｏｓθ３）／ｄ３に変化する。後者は前者よりも小さい。Ｗ−Ｆ２＝−Ａ・Ｔ・（ｃｏｓβ＋ｃｏｓθ３）／ｄ３が成立する間隙距離ｄ３で安定する。
【００１１】
案内装置１０は、外力によって摺動面１３と案内面１６の間隙が狭くなると、充填液体１８の圧力が高まって、摺動面が案内面に近接するのを抑制する。外力によって摺動面１３と案内面１６の間隙が広がると、充填液体１８の圧力が低められ、摺動面が案内面から離反するのを抑制する。案内装置１０は、外力に抗して、摺動面１３と案内面１６の間隙を一定に維持する拘束力を発揮する。この拘束力によって間隙距離の変化に関する剛性が確保され、案内装置の精度が保証される。
充填液体の発生する反発力は摺動面や案内面に対して垂直な方向であるため、その反発力は可動体が案内面に沿って移動することを妨げない。また、可動体と案内体は直接的には接触していないため、摩擦抵抗も極めて低い。さらには、可動体が静止していても充填液体が介在しているため、静止摩擦も発生しない。静かに移動を始め、意図した位置に静止させることもできる。位置決め分解能に優れている。
本発明の案内装置を利用して、回転軸受や、リニアスライダーや、面的スライダーやスラスト軸受等を構成することができる。
【００１２】
上記では、摺動面と案内面の間隙に充填液体を封じ込め、その充填液体の表面張力によって充填液体の圧力が雰囲気圧力よりも高められることを利用して、摺動面と案内面を非接触状態に維持する。その逆に、摺動面と案内面の間隙を充填する液体圧力が、表面張力によって雰囲気圧力よりも低められることを利用して摺動面が案内面から離反することを抑制することもできる。離反することを抑制することによって可動体と案内体を非接触状態に維持することもできる。
この方式の案内装置もまた、摺動面を有する可動体と、摺動面に対向する案内面を有する案内体を備えており、摺動面と案内面の間隙を液体が充填している。摺動面が案内面から離反することを禁止することによって両者を非接触状態に維持する案内装置は、摺動面に対する充填液体の接触角と案内面に対する充填液体の接触角の和が１８０度未満であり、案内面に対する充填液体の接触角が９０度未満であることを特徴とする。
この案内装置は、摺動面と案内面の間隙を充填している液体が、摺動面を案内面から離反させようとする外力に抗して、摺動面が案内面から離反するのを抑制する力を発揮する。
【００１３】
図６に本発明に係る案内装置の一例を例示する。図６に示す案内装置２０は、可動体２２と案内体２５と充填液体２８によって構成されている。可動体２２は円柱形状をしており、上面２３、下面２１、側面２４を備えている。案内体２５の下面２６は、水平に広がっている。可動体２２の上面２３と案内体２５の下面２６は向き合っており、その間隙に液体２８が充填されている。後記するように、間隙に充填された液体２８は間隙を充填しつづけ、充填液体２８によって間隙が維持され、可動体２２と案内体２５が離反することが禁止される。可動体２２の上面２３は摺動面となり、案内体２５の下面２６は案内面となり、摺動面２３が案内面２６に向き合った状態で、可動体２２は案内面２６に沿って移動可能に支持される。
次に、可動体２２の摺動面２３と案内体２５の案内面２６の間隙を液体２８が充填し、充填液体２８によって、摺動面２３と案内面２６が離反しないように維持される様子を説明する。
図７に示すように、充填液体２８の表面張力の大きさをＴとする。案内装置２０が置かれている雰囲気圧力をＰ０とする。可動体２２の摺動面２３に対する液体２８の接触角をδとする。案内体２５の案内面２６に対する液体２８の接触角をεとする。
本案内装置では、接触角δと接触角εは、δ＋ε＜１８０度に関係が成立するものが選択されている。図７は、摺動面２３と案内面２６の間隙の一部にのみ液体２８が存在している状態を示している。液体２８は自己の表面張力によって摺動面２３から外向きにＴｃｏｓδの力を受ける。同様に、液体２８は案内面２６から外向きにＴｃｏｓεの力を受ける。外向きの力を正とすると、液体２８には外向きに、Ｔ（ｃｏｓδ＋ｃｏｓε）の力が作用する。δ＋ε＜１８０度であり、しかも接触角δとεのそれぞれは、０度以上１８０度未満であるので、液体２８が受ける外向きの力Ｔ（ｃｏｓδ＋ｃｏｓε）は正となる。即ち、液体２８は外向きの力を受ける。従って、液体２８は摺動面２３と案内面２６の間隙全体に自己の表面張力によって浸透し、図６に示すように摺動面２３と案内面２６の間隙を充填する。
【００１４】
図６に示すように、充填液体２８は案内面２６と位置２６ａにおいて接触角εで接触している。案内面２６に対する充填液体２８の接触角εは９０度よりも小さい。また、充填液体２８は摺動面２３と位置２３ａにおいて角度θ４で接触している。摺動面２３の位置２３ａは、摺動面に隣接する隣接面２４との境界となる外延部であるため、充填液体２８が摺動面２３に接触している角度θ４は、摺動面２３に対する接触角δに限られない。角度θ４は、摺動面２３に対する接触角δよりも大きくなりうる。このとき、摺動面２３に隣接する隣接面２４に対する充填液体２８の接触角が、摺動面と隣接面の境界から伸びる液面と隣接面の延長面がなす角の最大角以上であれば、液体は隣接面２４へ逃げることはない。
図６の状態から、摺動面２３が案内面２６から離反すると、図７の状態となるように思われる。しかしながら、充填液体２８は自己の表面張力によって摺動面２３と案内面２６の間隙全体に浸透し、摺動面２３と案内面２６の間隙を充填し続ける。間隙に充填された液体２８は間隙を充填しつづけ、充填液体２８によって間隙が維持され、可動体２２と案内体２５が離反することが抑制される。
【００１５】
摺動面に対する液体の接触角と案内面に対する液体の接触角の和が１８０度未満であれば、液体は表面張力によって摺動面と案内面の間隙に浸透し、摺動面と案内面の間隙を充填する。可動体の摺動面に隣接する隣接面に対する液体の接触角が、摺動面と隣接面の境界から伸びる液面と隣接面の延長面がなす角の最大角以上であれば、液体は隣接面へ逃げることもない。液体は摺動面と案内面の間隙を充填しつづけ摺動面と案内面が離反することを禁止して非接触状態を維持することができる。
【００１６】
図８は、摺動面２３と隣接面２４の境界２３ａから伸びる液面が摺動面２３と角度θ４で接触し、案内面２６と接触角εで接触している状態で作用している力を示している。可動体２２は重量がＷであり、摺動面２３の面積がＡである。また、図８の状態において、摺動面２３と案内面２６の間隙の距離はｄ４であるとする。
摺動面２３の境界位置２３ａにおいて、充填液体２８の表面張力Ｔの水平方向成分は、充填液体２８に対して外向きにＴｃｏｓθ４となる。また、案内面２６上の位置２６ａにおいて、充填液体２８の表面張力Ｔの水平方向成分は、充填液体２８に対して外向きにＴｃｏｓεとなる。案内装置２０が置かれている雰囲気の圧力がＰ０であり、充填液体２８の内部圧力がＰ４であるとすると、水平方向のつり合いの式から、
Ｐ０・ｄ４＝Ｐ４・ｄ４＋Ｔｃｏｓε＋Ｔｃｏｓθ４
となる。
従って、雰囲気圧Ｐ０に対する充填液体２８の内部圧力Ｐ４の差圧ΔＰ４は、
ΔＰ４＝Ｐ４−Ｐ０
＝−Ｔ・（ｃｏｓε＋ｃｏｓθ４）／ｄ４
となる。
案内面２６に対する液体２８の接触角εは９０度未満であり、間隙に封じ込められた液体が内側にくびれて境界２３ａから伸びる液面が内側に傾いていれば、θ４は９０度未満となる。この場合、ΔＰ４は負の値となるため、充填液体２８の内部圧力Ｐ４は、雰囲気の圧力Ｐ０に対して負圧となる。従って、可動体２２には充填液体２８から鉛直上方に引き上げる力が作用する。充填液体２８が可動体２２を鉛直上方に引き上げる力Ｆは、F＝−ΔＰ４・Ａである。充填液体２８が引き上げる力Ｆが可動体２２の重力Ｗに等しければ、すなわち、
Ｗ＝−ΔＰ４・Ａ＝Ａ・Ｔ・（ｃｏｓε＋ｃｏｓθ４）／ｄ４
が成立すれば、表面張力によって摺動面２３と案内面２６に封じ込められた液体２８が、可動体２２の重力Ｗに抗して、摺動面２３が案内面２６から離反することを抑制し、摺動面２３と案内面２６を非接触な状態に維持する。
充填液体２８の体積が一定のとき、摺動面２３と案内面２６の間隙の距離ｄ４が小さくなると、角度θ４は大きくなる。距離ｄ４の変化に対して角度θ４の変化は十分に大きい。このとき、充填液体２８が摺動体２２を引き上げる力Ｆは小さくなる。同様に充填液体２８の体積が一定のとき、摺動面２３と案内面２６の間隙の距離ｄ４が大きくなると、角度θ４は小さくなる。このとき、充填液体２８が摺動体２２を引き上げる力Ｆは大きくなる。可動体２２の重量Ｗに応じて、接触している角度θ４と摺動面２３と案内面２６の間隙の距離ｄ４は決まることとなる。
【００１７】
上述のように本発明の案内装置では、案内面に対する液体の接触角が９０度未満であるものを利用することから、充填液体の内部圧力は、雰囲気の圧力よりも低くなっている。その差圧が、摺動面を案内面から離反させようとする外力に抗して、摺動面が案内面から離反するのを抑制する力を生み出す。
摺動面２３と案内面２６の間隙の距離ｄ４が大きくなると、充填液体による吸引力が大きくなる。例えば、可動体の重量Ｗと、距離ｄ４の間隙を充填する液体による吸引力がつりあって、重量Ｗの可動体が距離ｄ４を隔てて案内体から吊り下がっているとする。この状態で可動体を案内体を離反させようとする力が作用すると、距離ｄ４が増加し、液体による吸引力が増大し、それがつりあった距離で平衡する。可動体と案内体は非接触状態を続ける。
図８において、可動体２２に鉛直下向きの外力が作用し、摺動面２３と案内面２６の間隙が広くなると、充填液体は中心に向けて収縮し、境界２３ａから伸びる液面が摺動面２３となす角は減少する。
可動体２２に外力が作用しない場合、可動体２２の重量Ｗが、充填液体２８の雰囲気圧力からの差圧に等しくなる間隙距離で平衡する。外力が左右しない場合の、間隙距離がｄ４であり、境界２３ａから伸びる液面が摺動面２３となす角がθ４であるとする。すなわち、Ｗ＝Ａ・Ｔ・（ｃｏｓε＋ｃｏｓθ４）／ｄ４が成立しているものとする。
この状態で、可動体２２に鉛直下方の外力Ｆ１が作用したために、間隔ｄ４がｄ５に広がり、液面が摺動面２３となす角θ４がθ５に減少したものとする。距離がｄ４から距離ｄ５に増大することによって充填液体２８が可動体２２を引き上げる力が減少することに比して、角度がθ４から角度θ５に減少することによって充填液体２８が可動体２２を引き上げる力が増大する方が顕著に現われる。この場合、充填液体２８の雰囲気圧力からの差圧は、−Ｔ・（ｃｏｓε＋ｃｏｓθ４）／ｄ４から−Ｔ・（ｃｏｓε＋ｃｏｓθ５）／ｄ５に変化する。後者の方が負圧の程度が大きい。負圧の程度が大きくなり、可動体２２の重力に鉛直下向きの外力を加えた力にバランスする距離で安定する。すなわち、Ｗ＋Ｆ１＝Ａ・Ｔ・（ｃｏｓε＋ｃｏｓθ５）／ｄ５が成立する間隙距離ｄ５で安定する。
逆に、可動体２２に鉛直上向きの外力Ｆ２が作用したために、摺動面２３と案内面２６の間隙ｄ４がｄ６に減少し、充填液体は広がり、境界２３ａから伸びる液面が摺動面２３となす角θ４がθ６に増大したものとする。この場合、充填液体の雰囲気圧力からの差圧は、−Ｔ・（ｃｏｓε＋ｃｏｓθ４）／ｄ４から−Ｔ・（ｃｏｓε＋ｃｏｓθ６）／ｄ６に変化する。後者は前者よりも負圧の程度が小さい。Ｗ−Ｆ２＝Ａ・Ｔ・（ｃｏｓε＋ｃｏｓθ６）／ｄ６が成立する間隙距離ｄ６で安定する。
【００１８】
案内装置２０は、外力によって摺動面２３と案内面２６の間隙が広くなると、充填液体２８の圧力が低められ（負圧の程度が大きくなり）、摺動面２３が案内面２６から離反するのを抑制する。外力によって摺動面２３と案内面２６の間隙が狭くなると、充填液体２８の圧力が高められ（負圧の程度が小さくなり）、摺動面２３が案内面２６に近接するのを抑制する。案内装置２０は、外力に抗して、摺動面２３と案内面２６の間隙を一定に維持する拘束力を発揮する。この拘束力によって間隙距離の変化に関する剛性が確保され、案内装置の精度が保証される。
充填液体の発生する吸引力は摺動面や案内面に対して垂直な方向であるため、その吸引力は可動体が案内面に沿って移動することを妨げない。また、可動体と案内体は直接的には接触していないため、摩擦抵抗も極めて低い。さらには、可動体が静止していても充填液体が介在しているため、静止摩擦も発生しない。静かに移動を始め、意図した位置に静止させることもできる。位置決め分解能に優れている。
本発明の案内装置を利用して、回転軸受や、リニアスライダーや、面的スライダーや、スラスト軸受を構成することができる。
【００１９】
本発明の案内装置において、可動体の摺動面に隣接する隣接面に対する前記液体の接触角が９０度以上であってもよい。それにより、摺動面と案内面の間隙を充填している液体が隣接面に染み出すことが防止され、液体は摺動面と案内面の間隙に封じ込められる。
間隙に封じこめられた液体によって間隙が維持され、可動体と案内体は非接触な状態に維持される。即ち、間隙に封じこめられた液体によって可動体は案内面に沿って移動可能に支持される。
【００２０】
本発明を利用して、様々な形態の案内装置を実現することができる。
一つ形態では、可動体に１対の摺動面が形成されており、案内体には１対の摺動面に対向する１対の案内面が形成されており、１対の摺動面と１対の案内面間に形成される１対の間隙に液体が充填している。
液体が１対の間隙を充填していることによって、対向する摺動面と案内面は非接触状態が維持される。また、１対の間隙を充填している液体は、先に説明した力を１対の摺動面のそれぞれに作用する。充填液体が一対の摺動面のそれぞれに作用する力は、共に反発する力であってもよいし、共に吸引する力であってもよいし、一方が吸引力を発揮して他方が反発力を発揮するものでもよい。１対の液体が可動体に作用させる力が外力とつりあうことで、可動体は案内面と非接触の状態で平衡する。この案内装置では、摺動面と案内面の距離を変化させようとする外力（例えば重力）が、可動体や案内体に作用していなくてもよい。充填液体が１対の摺動面に作用する力は、摺動面と案内面の距離の変化に抗するように変化する。即ち、１対の摺動面と案内面のそれぞれの距離が一定に維持される。あるいは、充填液体が１対の摺動面に作用する力の合力が、可動体に作用する外力とつりあってもよい。この場合でも、１対の摺動面と案内面のそれぞれの距離が一定に維持される。即ち、可動体は１対の案内面から充填液体を介して非接触で拘束される。この拘束力は、摺動面や案内面に垂直な方向であるため、可動体の案内面に沿った運動を妨げない。
１対の案内面は、様々な位置関係をとることができる。向き合って一方方向に伸びていれば、リニアスライダーを構成する。向き合って面的に広がっていれば、面的スライダーを構成する。断面視したときにＶ字型を構成して一方方向に伸びていれば、リニアスライダーを構成することができる。複数対の摺動面が異なる２方向で対向していれば、その２方向を拘束するリニアスライダーを構成することもできる。
【００２１】
本発明の案内装置を利用すると、回転する可動体を回転可能に支持することができる。この形態の非接触式軸受は、可動体には円周上に位置する複数の摺動面が形成されており、案内体には前記円周よりも大きな半径の同心の円周に沿って伸びる共通案内面が形成されており、それぞれの摺動面と共通案内面の間隙に液体が充填している。
液体がそれぞれの摺動面と共通案内面の間隙を充填していることによって、可動体と案内体は非接触状態が維持される。また、複数の間隙を充填している液体は、先に説明した力をそれぞれの摺動面に作用する。液体がそれぞれの摺動面に作用する力は、反発する力であってもよいし、吸引する力であってもよい。液体がそれぞれの摺動面に作用する力がつりあうことで、可動体は共通案内面と非接触の状態で平衡する。充填液体がそれぞれの摺動面に作用する力は、それぞれの摺動面と共通案内面の距離の変化に抗するように変化する。即ち、それぞれの摺動面において共通案内面との距離が一定に維持される。従って、可動体は円周にそって伸びる共通案内面に非接触で拘束される。この拘束力は、摺動面や案内面に垂直な方向であるため可動体の回転を妨げない。この案内装置においては、可動体を共通案内面に沿って回転可能に拘束することができる。
【００２２】
摺動面が隣接面を囲繞しており、摺動面と案内面の間隙を充填する液体によって、隣接面と案内面の間隙が外気から遮断されている構成とすることもできる。
上記構成の案内装置では、充填液体によって外気から遮断されている隣接面と案内面の間隙に気体を封止することができる。この封止気体が雰囲気圧力に対して所定の範囲で差圧を持つ場合でも、充填液体は自己の表面張力によって摺動面と案内面の間隙を充填しつづけることができる。
隣接面と案内面の間隙に外気と差圧をもつ気体が封止されることによって、その封止気体は可動体や案内体に力を作用する。充填液体が作用する力のみで摺動面と案内面の距離を維持することが困難な場合は、封止気体が作用する力を併せて用いることができる。即ち、充填液体が作用する力と封止気体が作用する力の合力が、摺動面と案内面の距離を変化させようとする力とつりあえばよい。充填液体が作用する力と封止気体が作用する力は、同方向であってもよいし逆方向であってもよい。この方向とは、反発力であるのか吸引力であるのかを示す。
この案内装置では、例えば充填液体の作用力だけでは案内面から浮上しないような重量の可動体を、封止気体の圧力を高めて案内面から浮上させることもできる。さらには、封止気体の圧力を調整することによって浮上量を調整することもできる。封止気体の圧力は外部から様々な方法によって変化させればよく、例えば空気ポンプで空気を圧送、吸引してもよいし、気体の熱膨張や化学変化を用いる形態でもよい。
【００２３】
上記の案内装置において、案内面に対向する可動体の１面に、多重リングを構成する摺動面が形成されており、リング間に形成される隣接面と案内面の間隙が外気から遮断されている構成でもよい。
この構成の案内装置では、隣接面と案内面の間隙が、外気に対して充填液体を隔壁とする多層構造となる。多層構造を構成する隣接面と案内面の間隙に対して、外気圧から段階的に変化させた圧力気体を最外の間隙から順に封止することができる。各層毎の差圧は充填液体が摺動面と案内面の間隙を充填しつづけられる圧力差としつつ、外気に対する封止気体の差圧を大きくすることができる。外気に対する封止気体の差圧を大きくすることにより、封止気体によって可動体や案内体に作用させる力を大きくすることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によると、非接触式案内装置の構成を簡素化することができる。また液体圧力の脈流による影響を受けることがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明に係る実施例を図面を参照して説明する。最初に、以下に説明する実施例の主要な特徴を列記する。
（特徴１）  案内装置の摺動面と案内面の間隙には水が充填している。
（特徴２）  可動体には、３重リングを構成する摺動面が形成されている。
（特徴３）  ３重リングを構成する摺動面と案内面の間隙を充填する水が、可動体と案内体の間隙に３重構造の外気と遮断された空間を形成している。
（特徴４）  空間へ空気ポンプ等を接続して空気を圧送および吸引できる。
（特徴５）  本発明は、リニアガイド、面的スライダー、スラスト軸受、ジャーナル軸受等に適用できる。
【実施例】
【００２６】
（実施例１）  図９に実施例１の案内装置５０を示す。案内装置５０は、可動体５４と案内体５５を備えている。可動体５４は、第１摺動面５１と第２摺動面５２と第３摺動面５３を備えている。案内体５５は、第１〜第３摺動面５１〜５３に対向する案内面５６を備えている。
【００２７】
図１０に、可動体５４を第１〜第３摺動面５１〜５３の側から斜視する図を示す。可動体５４は略円柱形状をしている。可動体５４には、リング状の溝５７、５８と、可動体５４を貫通している軸孔５９が設けられている。溝５７、５８は矩形断面をしている。第１〜第３摺動面５１〜５３は、それらリング状の溝５７、５８および軸孔５９によって分離され、多重リングを構成している。第１〜第３摺動面５１〜５３は溝５７、５８の表面や軸孔５９の内面と隣接しており、それらの隣接面と９０度をなしている。第１〜第３摺動面５１〜５３は同一平面状にある。
第１〜第３摺動面５１〜５３の面積はそれぞれＡ１、Ａ２、Ａ３である。また、リング状の溝５７、５８と軸孔５９の開口面積はそれぞれＢ１、Ｂ２、Ｂ３である。軸孔５９には、案内体５５とは反対側に位置する開口に弁６４が設けられている。弁６４には図示しない空気ポンプ等を接続することができる。弁６４に空気ポンプ等を接続して、軸孔５９に空気を圧送又は吸引することができる。可動体５４の弁６４を含めた重量はＷである。
第１〜第３摺動面５１〜５３に対する水の接触角は２０度である。即ち、親水性の表面である。また、案内面５６に対する水の接触角は略３０度である。即ち、親水性の表面である。よって、第１〜第３摺動面５１〜５３に対する水の接触角と、案内面５６に対する水の接触角の和は１８０度未満となる。
可動体５４の側面６５に対する水の接触角は９０度以上である。また、軸孔５９や溝５７、５８の表面に対する水の接触角も９０度以上である。即ち、側面６５や軸孔５９や溝５７、５８の表面は疎水性表面である。即ち、第１〜第３摺動面５１〜５３に隣接する隣接面は、すべて疎水性表面である。
【００２８】
図９に示すように、第１〜第３摺動面５１〜５３と案内面５６の間隙に水が充填している。詳しくは、第１摺動面５１と案内面５６の間隙に第１水膜６１が形成されている。また、第２摺動面５２と案内面５６の間隙に第２水膜６２が形成されている。また、第３摺動面５３と案内面５６の間隙に第３水膜６３が形成されている。第１〜第３水膜６１〜６３は、多重リングを形成している。第１〜第３水膜６１〜６３によって多重リングが形成されることにより、可動体５４と案内体５５と第１水膜６１によって外部と遮断された第１空間７１が形成されている。また、可動体５４と案内体５５と第２水膜６２によって外部と遮断された第２空間７２が形成されている。また、可動体５４と案内体５５と第３水膜６３によって外部と遮断された第３空間７３が形成されている。第１水膜６１は、大気と第１空間７１との隔壁となっている。第２水膜６２は、第１空間７１と第２空間７２との隔壁となっている。第３水膜６３は、第２空間７２と第３空間７３との隔壁となっている。
【００２９】
図９は、可動体５４と案内体５５の間隙に所定の量の水を供給し、弁６４から空気を圧送した後の状態である。弁６４から空気を圧送すると、第３空間７３の圧力が上昇する。第１空間７３の圧力が上昇すると可動体５４が案内面５６から浮上する。その浮上によって第３水膜６３が形成されるが、第３空間７３と第２空間７２の差圧が大きくなると、第３水膜６１が破れ第３空間７３の圧力が下がって第２空間７２の圧力が上がる。そして、第３水膜７３が再生される。そのまま空気の圧送を続けることで、第１〜第３水膜６１〜６３は破断と再生を繰り返す。弁６４から空気を圧送することによって、第１〜第３空間７１〜７３の圧力を所定の圧力に到達させることができる。この状態における第１〜第３空間７１〜７３の圧力は、それぞれＰ１、Ｐ２、Ｐ３である。Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は段階的に高められており、大気圧力Ｐ０とＰ１の差圧ΔPと、Ｐ１とＰ２の差圧ΔPと、Ｐ２とＰ３の差圧ΔPはすべて等しい。このとき、可動体５４は第１〜第３水膜６１〜６３を介して案内面５６から静止して浮いた状態となる。
【００３０】
図１１を用いて、図９の状態において案内装置５０に作用している力について説明する。図１１は、第１水膜６１の近傍を拡大して示している。図１１は、図面左方が可動体５４の中心軸方向であり、図面右方が外周方向である。従って、第１水膜６１の図面左方は第１空間７１であり、図面右方は大気である。以下、図面左方で示される可動体５４の中心軸方向を内側といい、図面右方で示される外周方向を外側という。
第１水膜６１は内側の自由表面６６において、第１摺動面５１と角度θＩＮで接触している。また、第１水膜６１は外側の自由表面６７において、第１摺動面５１と角度θOUTで接触している。角度θＩＮとθOUTは、それぞれ０度以上９０度未満である。また、第１水膜６１は、自由表面６６と自由表面６７において案内面５６と接触角（略３０度）で接触している。
第２、第３水膜６２、６３についても、それぞれ第２、第３摺動面５２、５３や案内面５６に対して同様に接触している。
【００３１】
第１摺動面５１と案内面５６の間隙の距離をｄとし、第１水膜６１の内部圧力をＰｗ１とする。水の表面張力はＴである。第１水膜６１の内側の自由表面６６において、水平方向に作用している力のつり合いから、
Ｐ１・ｄ＝Ｐｗ１・ｄ＋ＴｃｏｓθＩＮ＋Ｔｃｏｓ３０°  ；
となる。また、第１水膜６１の外側の自由表面６７において、水平方向に作用している力のつり合いから、
Ｐ０・ｄ＝Ｐｗ１・ｄ＋ＴｃｏｓθOUT＋Ｔｃｏｓ３０°  ；
となる。これらの２式から、以下の２式が導出される。
Ｐ１−Ｐ０＝Ｔ・(ｃｏｓθＩＮ−ｃｏｓθOUT ）／ｄ      ・・（１）；
Ｐｗ１−Ｐ０＝−Ｔ・(ｃｏｓθOUT＋ｃｏｓ３０°)／ｄ  ・・（２）；
（１）式は、第１空間の圧力Ｐ１が大気圧Ｐ０に対して差圧ΔPを持つことによって、第１水膜が第１摺動面５１に対して接触している角度が、内側と外側で異なることを示している。第１水膜はこの角度差を持つことにより、第１空間と大気圧Ｐ０の差圧に抗して、自己の表面張力で第１摺動面５１と案内面５６の間隙を充填しつづけることができる。このことは、第２水膜６２、第３水膜６３についても同様である。
（２）式は、第１水膜６１の内部圧力Ｐｗ１が大気圧Ｐ０に対して、−Ｔ・（ｃｏｓθOUT＋ｃｏｓ３０°）／ｄの差圧を持つことを示している。第１水膜６１の内部圧力Ｐｗ１は大気圧Ｐ０よりも低く、第１水膜６１は第１摺動面５１が案内面５６から離反するのを吸着する。その吸着力Ｆ１は、
Ｆ１＝Ａ１・Ｔ・（ｃｏｓθOUT＋ｃｏｓ３０°）／ｄ  ；
となる。
【００３２】
同様にして、第２水膜６２の内部圧力をＰｗ２とすると、
Ｐｗ２−Ｐ１＝−Ｔ・(ｃｏｓθOUT＋ｃｏｓ３０°）／ｄ          ；
となる。第２水膜６２の内部圧力Ｐｗ２の大気圧Ｐ０に対する差圧は、
Ｐｗ２−Ｐ０＝（Ｐｗ２−Ｐ１）＋（Ｐ１−Ｐ０）
＝−Ｔ・(ｃｏｓθOUT＋ｃｏｓ３０°)／ｄ＋ΔＰ    ；
となる。従って、第２水膜６２が第２摺動面５２を吸引する力Ｆ２は、
Ｆ２＝Ａ２・Ｔ・（ｃｏｓθOUT ＋ｃｏｓ３０°）／ｄ−Ａ２・ΔＰ  ；
となる。
また、第３水膜６３の内部圧力をＰｗ３とすると、
Ｐｗ３−Ｐ２＝−Ｔ・(ｃｏｓθOUT＋ｃｏｓ３０°）／ｄ          ；
となる。第２水膜６２の内部圧力Ｐｗ２の大気圧Ｐ０に対する差圧は、
Ｐｗ２−Ｐ０＝（Ｐｗ２−Ｐ２）＋（Ｐ２−Ｐ１）＋（Ｐ１−Ｐ０）
＝−Ｔ・(ｃｏｓθOUT＋ｃｏｓ３０°)／ｄ＋２ΔＰ    ；
となる。従って、第３水膜６２が第３摺動面５３を吸引する力Ｆ３は、
Ｆ３＝Ａ３・Ｔ・（ｃｏｓθOUT ＋ｃｏｓ３０°）／ｄ−２・Ａ３・ΔＰ；
となる。
【００３３】
一方、第１空間７１に封止された空気が、大気圧との差圧によって可動体５４に作用する力Ｆ４は、鉛直上向きを正として、
Ｆ４＝Ｂ１・（Ｐ１−Ｐ０）＝Ｂ１・ΔＰ        ；
同様に、第２空間７２に封止された空気が、大気圧との差圧によって可動体５４に作用する力Ｆ５と、第３空間７３に封止された空気が、大気圧との差圧によって可動体５４に作用する力Ｆ６は、
Ｆ５＝Ｂ２・（Ｐ２−Ｐ０）＝２・Ｂ１・ΔＰ    ；
Ｆ６＝Ｂ３・（Ｐ３−Ｐ０）＝３・Ｂ１・ΔＰ    ；
となる。
【００３４】
可動体５４の重量Ｗと、上記の力Ｆ１〜Ｆ６の合計がつりあうことによって、可動体５４は案内面５６から非接触な状態に維持される。力Ｆ１〜Ｆ６は、角度θOUTや角度θＩＮや距離ｄや内部空間に封止した気体の圧力で決まる。そして、角度θOUTや角度θＩＮや距離ｄは、可動体５４の重量Ｗや供給される水の量や第１〜第３空間７１〜７３に封止する気体の圧力によって決めることができる。
上記のつりあいの状態では、第１〜第３摺動面５１〜５３と案内面５６の距離ｄが僅かに変化しても、角度θOUTや角度θＩＮは大きく変化する。それにより、Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３は大きく変化する。可動体５４に鉛直下向きの力が作用して距離ｄが減少すると、角度θOUTや角度θＩＮは増加する。角度θOUTや角度θＩＮが増加することによって、Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３の吸引力は減少する。即ち、吸引力Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３は、距離ｄの変化に抗するように変化する。あるいは、可動体５４に鉛直上向きの力が作用して距離ｄが増加すると、角度θOUTや角度θＩＮは減少する。角度θOUTや角度θＩＮが減少することによって、Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３の吸引力は増大する。即ち、吸引力Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３は、距離ｄの変化に抗するように変化する。また、第１〜第３空間７１〜７３に封止されている気体についても空気バネとして働くため、力Ｆ４〜Ｆ６も距離ｄの変化に抗するように変化する。可動体５４は、第１〜第３水膜６１〜６３を介して案内面５６から一定の距離に拘束されている。
【００３５】
可動体５４は案内面５６に第１〜第３水膜６１〜６３や第１〜第３空間７１〜７３に封止された気体を介して非接触で拘束されている。この拘束力は第１〜第３摺動面５１〜５３や案内面５６に対して垂直な方向であるため、可動体５４が案内面５６に沿って移動することを妨げない。従って、案内装置５０は、可動体５４を高い運動精度で案内面５６に沿って案内する面的スライダーとして利用できる。あるいは、可動体５４は回転することもできるため、スラスト軸受としても利用できる。可動体５４と案内体５５は直接的には接触していないため、摩擦抵抗が極めて低い。さらには、可動体５４が静止していても充填液体が介在しているため、静止摩擦も発生しない。静かに移動を始め、意図した位置に静止させることもできる。位置決め分解能に優れている。
本実施例の案内装置５０は、３重リング状の第１〜第３水膜６１〜６３を形成し、３つの第１〜第３空間７１〜７３を形成している。第１〜第３空間７１〜７３に封止する気体の圧力を、外側の空間から段階的に変化させることによって、封止気体の圧力が可動体５４に作用する力を高めている。この空間をさらに多層化することによって、封止する気体の圧力をさらに大気圧から変化させることもできる。
【００３６】
（実施例２）  図１２に実施例２の案内装置８０を示す。案内装置８０は、可動体８２や案内体８５を備えている。
図１２に示すように、可動体８２は略直方体であって、長手方向の４つの稜角部が面取加工されている。可動体８２は、１６箇所の摺動面８３を備えている。図１２に示すように、摺動面８３は、直方体形状の長手方向に平行な４つの面のそれぞれに、長手方向に略等間隔で４箇所づつ配置されている。即ち、対向する８対の摺動面８３が設けられている。
なお、以下の図面において、摺動面には破線によるＸ印を付して示す。
可動体８２の摺動面８３に対する水の接触角は略３０度である。可動体の摺動面８３以外の表面に対する水の接触角は１２０度よりも大きい。
案内体８５は、略直方体であって、その長手方向は可動体８２の長手方向よりも長い。案内体８５は、矩形断面の孔８６を備えている。孔８６の開口断面は、可動体８２の長手方向に垂直な断面よりもやや大きく、可動体８２を遊嵌することができる。孔８６の側面は案内面８６ａである。案内面８６ａに対する水の接触角は略６０度である。
【００３７】
図１３は、可動体８２を案内体８５の孔８６に遊嵌し、その間隙に所定の水８８を供給した状態である。摺動面８３に対する水８８の接触角と案内面８６ａに対する水８８の接触角の和は１８０度未満である。従って、水８８は摺動面８３と案内面８６ａの間隙全体に自己の表面張力によって浸透する。また、可動体８２の摺動面以外の面に対する水８８の接触角と案内面８６ａに対する水８８の接触角の和は１８０度以上である。従って、水８８は可動体８２の摺動面以外の面と案内面８６ａとの間隙には浸透しない。水８８が摺動面８３に接触している角度は１２０度よりも小さく、水８８が摺動体８２の摺動面８３以外の面を濡らすこともない。供給された水８８は、摺動面８３と案内面８６ａの間隙を充填しつづける。それにより、摺動面８３と案内面８６ａは水８８を介して非接触の状態が維持される。
摺動面８３と案内面８６ａの間隙を充填している充填水８８の内部圧力は、自己の表面張力によって大気圧に対して差圧をもっている。充填水８８は、その差圧によって摺動面８３や案内面８６ａに力を作用する。充填水８８がそれぞれの摺動面８３に作用する力の大きさは等しい。すべての摺動面８３は、対向する他の摺動面８３と対をなしている。一対の摺動面８３に作用する一対の力はつりあっているため、充填水８８がすべての摺動面８３に作用する力の合力はゼロとなる。従って、可動体８２は、充填水８８を介して案内面８６ａと非接触の状態でつりあっている。このつり合いの状態から摺動面８３と案内面８６ａの距離が変化すると、充填水８８が可動体８２や案内体８５に作用している力が、その距離の変化に抗するように変化する。即ち、可動体８２は充填水８８を介して案内面８６ａに非接触で拘束されている。この拘束力は摺動面８３や案内面８６ａに対して垂直な方向であるため、可動体８２が案内面８６ａに沿って移動することを妨げない。従って、案内装置８０は、可動体８２を案内面８６ａに沿って高い運動精度と位置決め分解能で案内するリニアスライダーとして利用できる。
図１３では、水膜８８が内側に撓み、水膜８８が摺動面８３と案内面８６ａを吸着する例を図示している。水膜８８が外側に撓み、水膜８８が摺動面８３と案内面８６ａを反発するようにしてもよい。
【００３８】
（実施例３）  図１４に実施例３の案内装置９０を示す。案内装置９０は、可動体９２や案内体９５を備えている。
可動体９２は、略直方体であって、矩形断面の孔９３を備えている。なお、孔９３の隅角部は、図１４に示すように円筒状にえぐられている。孔９３の開口部付近の平面部には摺動面９３ａが設けられている。即ち、摺動面９３ａは、孔９３の両端の開口部付近の平面部にそれぞれ４箇所づつ設けられている。即ち、対向する４対の摺動面９３ａが設けられている。
可動体９２の摺動面９３ａに対する水の接触角は略３０度である。可動体９２の摺動面９３ａ以外の表面に対する水の接触角は１２０度よりも大きい。
案内体９５は、略直方体であって、その長手方向は可動体９２の長手方向よりも長い。案内体９５の長手方向に垂直な断面は矩形である。その断面は、可動体９２の孔９３よりも小さく、案内体９５を可動体９２の孔９３に遊嵌することができる。案内体９５の長手方向に平行な４つの面は案内面９６である。案内面９６に対する水の接触角は略６０度である。
【００３９】
図１５は、可動体９２の孔９３に案内体９５遊嵌し、その間隙に所定の水９８を供給した状態である。可動体９２の摺動面９３ａに対する水９８の接触角と、案内体９５の案内面９６に対する水９８の接触角の和は１８０度未満である。従って、水９８は摺動面９３ａと案内面９６の間隙全体に自己の表面張力によって浸透する。また、可動体９２の摺動面９３ａ以外の面に対する水９８接触角と案内面９６に対する水９８の接触角の和は１８０度以上である。従って、水９８は摺動面９３ａ以外の面と案内面９６との間隙には浸透しない。水９８が摺動面９３ａに接触している角度は１２０度よりも小さく、水９８が摺動体９２の摺動面９３ａ以外の面を濡らすこともない。供給された水９８は、摺動面９３ａと案内面９６の間隙を充填しつづける。それにより、摺動面９３ａと案内面９６は水９８を介して非接触の状態が維持される。
摺動面９３ａと案内面９６の間隙を充填している充填水９８の内部圧力は、自己の表面張力によって大気圧に対して差圧をもっている。充填水９８は、その差圧によって摺動面９３ａや案内面９６に力を作用する。充填水９８がそれぞれの摺動面９３に作用する力の大きさは等しい。可動体９２のすべての摺動面９３ａは、対向する他の摺動面９３ａと対をなしている。一対の摺動面に作用している一対の力はつりあっているため、充填水９８がすべての摺動面９３ａに作用する力の合力はゼロとなる。即ち、その反作用力として充填水９８が案内体９５に作用する力の合力もゼロである。可動体９２は、充填水９８を介して案内面９６と非接触の状態でつりあっている。このつり合いの状態から摺動面９３ａと案内面９６の距離が変化すると、充填水９８が可動体９２や案内体９５に作用している力が、その距離の変化に抗するように変化する。即ち、可動体９２は充填水９８を介して案内面９６に非接触で拘束されている。あるいは、案内体９５が充填水９８を介して摺動面９３ａに非接触で拘束されているといってもよい。この拘束力は摺動面９３ａや案内面９６に対して垂直な方向であるため、可動体９２が案内面９６に沿って移動することを妨げない。従って、案内装置９０は、可動体９２を案内面９６に沿って高い運動精度と位置決め分解能で案内するリニアスライダーとして利用できる。あるいは可動体９２を外部に固定して、案内体９５を摺動面９３ａに沿って移動させるリニアスライダーとしても利用できる。
図１５は、水膜９８が内側に撓み、水膜９８が摺動面９３ａと案内面９６を吸着する例を図示している。水膜９８が外側に撓み、水膜９８が摺動面９３ａと案内面９６を反発するようにしてもよい。
【００４０】
（実施例４）  図１６に実施例４の案内装置１００を示す。案内装置１００は、可動体１０２や案内体１０５を備えている。
可動体１０２は、Ｖ字状の溝を備えている略直方体である。なお、Ｖ字溝の隅角部は図１６に示すように凹部が加工されている。Ｖ字溝の長手方向の両端部付近の平面部には摺動面１０３が設けられている。即ち、摺動面１０３は、Ｖ字溝の両端部にそれぞれ２箇所づつ設けられている。各端部において２箇所の摺動面１０３が対をなしている。
可動体１０２の摺動面１０３に対する水の接触角は略３０度である。可動体１０２の摺動面１０３以外の表面に対する水の接触角は１５０度よりも大きい。
案内体１０５は、略直方体であって、その長手方向は可動体１０２の長手方向よりも長い。重量はＷである。案内体１０５の長手方向に垂直な断面は矩形である。その断面の一部は、可動体１０２のＶ字溝と同一形状であり、案内体１０５を可動体９２のＶ字溝に隙間無く嵌め合うことができる。案内体１０５の長手方向に平行な面のうち、隣り合う２つの面は案内面１０６である。案内面１０６に対する水の接触角は略１２０度である。
【００４１】
図１７は、可動体１０２のＶ字溝と案内体１０５の案内面を対向させ、その間隙に所定の水１０８を供給した状態である。摺動面１０３に対する水１０８の接触角と案内面１０６に対する水１０８の接触角の和は１８０度未満である。従って、水１０８は摺動面１０３と案内面１０６の間隙全体に自己の表面張力によって浸透する。また、可動体１０２の摺動面１０３以外の面に対する水１０８の接触角と案内面１０６に対する水１０８の接触角の和は１８０度以上である。従って、水１０８は摺動面１０３以外の面と案内面１０６との間隙には浸透しない。水１０８が摺動面１０３に接触している角度は１５０度よりも小さく、水１０８が摺動体１０２の摺動面１０３以外の面を濡らすこともない。供給された水１０８は、摺動面１０３と案内面１０６の間隙を充填しつづける。それにより、摺動面１０３と案内面１０６は水１０８を介して非接触の状態が維持される。
摺動面１０３と案内面１０６の間隙を充填している充填水１０８の内部圧力は、自己の表面張力によって大気圧に対して正圧となっている。充填水１０８は、その正圧によって摺動面１０３と案内面１１６に反発力を作用する。充填水１０８がそれぞれの摺動面１０３に作用する力の大きさは等しい。可動体１０２のＶ字溝のそれぞれの端部において、２箇所の摺動面１０３が対をなしている。充填水１０８が一対の摺動面１０３に作用する力の合力は、可動体１０２に対して鉛直下方に作用する力となる。即ち、その反作用力として充填水１０８は案内体１０５に対して鉛直上方に力を作用している。この充填水１０８が案内体１０５に作用する力と案内体１０５の重量Ｗとがつりあうことにより、可動体１０２と案内体１０５は充填水１０８を介して非接触の状態でつりあっている。この状態から摺動面１０３と案内面１０６の距離が変化すると、充填水１０８が可動体１０２や案内体１０５に作用している力が、その距離の変化に抗するように変化する。即ち、案内体１０６は充填水１０８を介して摺動面１０３に非接触で拘束されている。この拘束力は可動体１０２のＶ字溝の長手方向に垂直な方向であるため、案内体１０５が可動体１０２のＶ字溝に沿って移動することを妨げない。従って、案内装置１００は、案内体１０５を可動体１０２のＶ字溝に沿って、高い運動精度と位置決め分解能で案内するリニアスライダーとして利用できる。
案内装置１００では、図１７に示す状態から天地を逆転させて設置し、案内体を１１５を案内レールとして可動体１０２を摺動させるリニアスライダーとして利用してもよい。
【００４２】
（実施例５）  図１８に実施例５の案内装置１１０を示す。案内装置１１０は、可動体１１２や案内体１１５を備えている。
図１８に示すように、可動体１１２は略円柱体であって、その円周面には３箇所の突出部が設けられている。それぞれの突出部は摺動面１１３を備えている。３箇所の摺動面１１３は、同一円周上に１２０度間隔で位置している。
摺動面１１３に対する水の接触角は略３０度である。可動体１１２の摺動面１１３以外の表面に対する水の接触角は略１２０度よりも大きい。
案内体１１５は、略円柱体であって、円形断面の孔１１６を備えている。孔１１３の半径は、可動体１１２の３箇所の摺動面１１３が位置している円周の半径よりも大きい。従って、可動体１１２を孔１１６に遊嵌することができる。孔１１６の側面は案内面１１６ａである。案内面１１６ａに対する水の接触角は略６０度である。
【００４３】
図１９は、可動体１１２を案内体１１５の孔１１６に遊嵌し、その間隙に所定の水１１８を供給した状態である。摺動面１１３に対する水１１８の接触角と案内面１１６ａに対する水１１８の接触角の和は１８０度未満である。従って、水１１８は摺動面１１３と案内面１１６ａの間隙全体に自己の表面張力によって浸透する。摺動面１１３は、摺動体１１２の円周面の突出部に形成されている。即ち、摺動面１１３と摺動面１１３に隣接する面は略９０度をなしている。従って、摺動面１１３とその隣接面の境界から伸びる液面と隣接面の延長面がなす角度は１２０度よりも大きくなることはない。そのため、水１１８は摺動体１１２の摺動面１１３以外の面を濡らすことはない。供給された水１１８は、摺動面１１３と案内面１１６ａの間隙を充填しつづける。それにより、摺動面１１３と案内面１１６ａは水１１８を介して非接触の状態が維持される。
摺動面１１３と案内面１１６ａの間隙を充填している充填水１１８の内部圧力は、自己の表面張力によって大気圧に対して差圧をもっている。充填水１１８は、その差圧によって摺動面１１３に力を作用する。充填水１１８がそれぞれの摺動面１１３に作用する力の大きさは等しい。３箇所の摺動面１１３は、同一円周上に１２０度間隔で位置しているため、充填水１１８が３箇所の摺動面１１３に作用する力の合力はゼロとなる。従って、可動体１１２は、充填水１１８を介して案内面１１６ａと非接触の状態でつりあっている。このつり合いの状態から、摺動面１２３ａと案内面１２６の距離が変化すると、充填水１１８が可動体１１２や案内体１１５に作用している力が、その距離の変化に抗するように変化する。即ち、可動体１１２は充填水１１８を介して案内面１１６ａに非接触で拘束されている。この拘束力は摺動面１１３や案内面１１６ａに対して垂直な方向であるため、可動体１１２が案内面１１６ａに沿って回転することを妨げない。あるいは、案内体１１５が摺動面１１３に沿って回転することもできる。案内装置１１０は、高い運動精度と位置決め分解能で、可動体１１２を案内面１１６ａに沿って、あるいは案内体１１５を摺動面１１３に沿って回転させるジャーナル軸受として利用できる。
図１９は、水膜１１８が内側に撓み、水膜１１８が摺動面１１３と案内面１１６ａを吸着する例を図示している。水膜１１８が外側に撓み、水膜１１８が摺動面１１３と案内面１１６ａを反発するようにしてもよい。
【００４４】
（実施例６）  図２０に実施例６の案内装置１２０を示す。案内装置１２０は、可動体１２２や案内体１２５を備えている。
図２０に示すように、可動体１２２は略円柱体であって、円形断面の孔１２３を備えている。孔１２３の円周側面には３箇所の突出部が設けられている。それぞれの突出部は摺動面１２３ａを備えている。３箇所の摺動面１２３ａは、同一円周上に１２０度間隔で位置している。
摺動面１２３ａに対する水の接触角は略３０度である。可動体１２２の摺動面１２３ａ以外の表面に対する水の接触角は略１２０度よりも大きい。
案内体１２５は略円柱体であって、その円形断面の半径は、可動体１２２の３箇所の摺動面１２３ａが位置している円周の半径よりも小さい。従って、案内体１２５は可動体１２２の孔１２３に遊嵌されることができる。案内体１２５の円周側面は案内面１２６である。案内面１２６に対する水の接触角は略１２０度である。
【００４５】
図２１は、可動体１２２の孔１２３に案内体１２５を遊嵌し、その間隙に所定の水１２８を供給した状態である。摺動面１２３ａに対する水１２８の接触角と案内面１２６に対する水１２８の接触角の和は１８０度未満である。従って、水１２８は摺動面１２３ａと案内面１２６の間隙全体に自己の表面張力によって浸透する。摺動面１２３ａは、孔１２３の内周面の突出部に形成されている。即ち、摺動面１２３ａと摺動面１２３に隣接する面は略９０度をなしている。従って、摺動面１２３ａとその隣接面の境界から伸びる液面と隣接面の延長面がなす角度は１２０度よりも大きくなることはない。そのため、水１２８は摺動体１２２の摺動面１２３ａ以外の面を濡らすことはない。供給された水１２８は、摺動面１２３ａと案内面１２６の間隙を充填しつづける。それにより、摺動面１２３ａと案内面１２６は水１２８を介して非接触の状態が維持される。
摺動面１２３とａ案内面１２６の間隙を充填している充填水１２８の内部圧力は、自己の表面張力によって大気圧に対して差圧をもっている。充填水１２８は、その差圧によって摺動面１２３ａに力を作用する。充填水１２８がそれぞれの摺動面１２３ａに作用する力の大きさは等しい。３箇所の摺動面１２３ａは、同一円周上に１２０度間隔で位置しているため、充填水１２８が３箇所の摺動面１２３ａに作用する力の合力はゼロとなる。従って、可動体１２２は、充填水１２８を介して案内面１２６と非接触の状態でつりあっている。このつり合いの状態から、摺動面１２３ａと案内面１２６の距離が変化すると、充填水１２８が可動体１２２や案内体１２５に作用している力が、その距離の変化に抗するように変化する。即ち、可動体１２２は充填水１２８を介して案内面１２６に非接触で拘束されている。この拘束力は摺動面１２３ａや案内面１２６に対して垂直な方向であるため、可動体１２２が案内面１２６に沿って回転することを妨げない。あるいは、案内体１２５が摺動面１２３ａに沿って回転することもできる。案内装置１１０は、高い運動精度と位置決め分解能で、可動体１２２を案内面１２６に沿って、あるいは案内体１２５が摺動面１２３ａに沿って回転させるジャーナル軸受として利用できる。
図２１は、水膜１２８が外側に膨れ、水膜１２８が摺動面１２３ａと案内面１２６を反発する例を図示している。水膜１２８が内側にくびれ、水膜１２８が摺動面１２３ａと案内面１２６を吸着するようにしてもよい。
【００４６】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】案内装置を模式的に示す図。
【図２】充填液体が摺動面と案内面の間隙に浸透する様子を示す図。
【図３】摺動面と角度をなす隣接面に対して充填液体が接触する角度を説明する図。
【図４】摺動面と同一平面にある隣接面に対して充填液体が接触する角度を説明する図。
【図５】案内装置で作用している力を説明する図。
【図６】他の案内装置を模式的に示す図。
【図７】充填液体が摺動面と案内面の間隙全体に浸透する様子を示す図。
【図８】案内装置で作用している力を説明する図。
【図９】実施例１の案内装置５０を示す図。
【図１０】案内装置５０の可動体５４を示す図。
【図１１】案内装置５０で作用している力を説明する図。
【図１２】実施例２の案内装置８０を示す図。
【図１３】案内装置８０の動作状態を示す図。
【図１４】実施例３の案内装置９０を示す図。
【図１５】案内装置９０の動作状態を示す図。
【図１６】実施例４の案内装置１００を示す図。
【図１７】案内装置１００の動作状態を示す図。
【図１８】実施例５の案内装置１１０を示す図。
【図１９】案内装置１１０の動作状態を示す図。
【図２０】実施例６の案内装置１２０を示す図。
【図２１】案内装置１２０の動作を示す図。
【符号の説明】
【００４８】
１０、２０、５０、８０、９０、１００、１１０、１２０・・案内装置
１２、２２、５４、８２、９２、１０２、１１２、１２２・・案内装置の可動体
１５、２５、５５、８５、９５、１０５、１１５、１２５・・案内装置の案内体
１８、２８、５１〜５３、８８、９８、１０８、１１８、１２８・・充填液体
【図１】
2005061585.tif 000003
【図２】
2005061585.tif 000004
【図３】
2005061585.tif 000005
【図４】
2005061585.tif 000006
【図５】
2005061585.tif 000007
【図６】
2005061585.tif 000008
【図７】
2005061585.tif 000009
【図８】
2005061585.tif 000010
【図９】
2005061585.tif 000011
【図１０】
2005061585.tif 000012
【図１１】
2005061585.tif 000013
【図１２】
2005061585.tif 000014
【図１３】
2005061585.tif 000015
【図１４】
2005061585.tif 000016
【図１５】
2005061585.tif 000017
【図１６】
2005061585.tif 000018
【図１７】
2005061585.tif 000019
【図１８】
2005061585.tif 000020
【図１９】
2005061585.tif 000021
【図２０】
2005061585.tif 000022
【図２１】
2005061585.tif 000023